固態(tài)降水家族中的默默無(wú)聞?wù)?/h1>
2022-11-03 10:45:24劉浩解文娟
科學(xué)之友 2022年11期
文｜劉浩 解文娟
眾所周知，從相態(tài)上講，降水分為固態(tài)和液態(tài)兩大類。與液態(tài)降水相比，固態(tài)降水的種類更加繁多，我們不妨稱之為“固態(tài)降水家族”。提起固態(tài)降水，有的人會(huì)想到雪花，有的人會(huì)想起冰雹。雪花因形態(tài)萬(wàn)千而備受世人推崇，冰雹因體形碩大而讓人聞之色變。其實(shí)，固態(tài)降水家族中還有很多默默無(wú)聞?wù)撸鼈冹o靜地來(lái)、悄悄地走，來(lái)去間透露出低調(diào)的奢華。
雪花的好姐妹——霰
古典名著《紅樓夢(mèng)》中兩次提到了“雪珠兒”這一不太常見(jiàn)的天氣現(xiàn)象。它的學(xué)名叫霰，常常與雪花相伴相生、同時(shí)降落，是雪花的好姐妹。
霰和雪花都是由冰雪晶演化而來(lái)。在一定溫度條件下，云中的冰雪晶會(huì)不斷通過(guò)貝吉龍效應(yīng)吸收周邊過(guò)冷水滴中的水分，從而不斷生長(zhǎng)。由于重力的作用，長(zhǎng)大后的冰雪晶便會(huì)下落。冰雪晶在下落過(guò)程中如果進(jìn)入到過(guò)冷水充沛的區(qū)域，就會(huì)不可避免地跟過(guò)冷云滴發(fā)生碰撞。此時(shí)，像膠水一樣的過(guò)冷云滴就會(huì)粘到雪晶上，并凍結(jié)成冰，大氣物理學(xué)中習(xí)慣將這種冰稱之為凇，將這一過(guò)程稱之為凇附過(guò)程。凇在冰雪晶上越聚越多，冰雪晶原有的六個(gè)角便蕩然無(wú)存，轉(zhuǎn)而形成一種球形或圓錐形的小冰珠，這就是霰。
2022年1月19日石家莊的霰
在經(jīng)歷了云中水汽在凝結(jié)核上凝華成冰雪晶和云中過(guò)冷水滴在冰雪晶上凇附這兩個(gè)過(guò)程之后，霰就誕生了。當(dāng)冰雪晶在下落過(guò)程中遇到的不是過(guò)冷云滴而是其他冰雪晶，在適宜的氣溫條件下，冰雪晶之間就會(huì)相互粘連，從而形成鵝毛般的大雪。綜上所述，冰雪晶是霰和雪花的初級(jí)階段，下落過(guò)程中的不同經(jīng)歷讓它們的形態(tài)產(chǎn)生了不同變化。
霰的個(gè)頭很小，直徑僅2～5毫米，所以經(jīng)常被人忽視。眾多霰粒落到地上后，呈現(xiàn)出白茫茫的一片，故而常被誤認(rèn)作雪。
微型固態(tài)降水
在固態(tài)降水家族中，還有許多體形微小、不易被發(fā)現(xiàn)的降水形態(tài)，比如米雪和冰丸等。
米雪類似于“長(zhǎng)粒香”那樣的米粒。米雪一般是扁長(zhǎng)的，白色或不透明的冰顆粒，直徑小于1毫米，通常從層云中徐徐落下，強(qiáng)度變化不大（非陣性），落到堅(jiān)硬物體的表面時(shí)，既不會(huì)反彈也不會(huì)破碎。米雪是毛毛雨的固體形態(tài)，是毛毛雨在下落過(guò)程中遇冷凝結(jié)后的產(chǎn)物。
冰丸又稱冰粒，直徑小于5毫米，是透明的丸狀或不規(guī)則的固態(tài)降水，較硬，落到堅(jiān)硬的地面上時(shí)一般會(huì)反跳。有時(shí)內(nèi)部還有未凍結(jié)的水，如被碰碎，則僅剩下破碎的冰殼。冰丸是過(guò)冷雨滴（或部分融化的雪花）下落時(shí)通過(guò)相對(duì)較冷的冰點(diǎn)層重新凍結(jié)后形成的。因此，如果沒(méi)凍透，會(huì)呈現(xiàn)外表是冰、內(nèi)部是水的狀態(tài)。
與雪和霰不同，這兩種固態(tài)降水都經(jīng)歷了由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。這種轉(zhuǎn)化跟氣溫的垂直分布有關(guān)。在高空寒冷的云中形成的雪和霰，在下落過(guò)程中其周邊的氣溫會(huì)越來(lái)越高。如果0 ℃層的高度比較高，那雪和霰在下落過(guò)程中就會(huì)不斷融化，最終以雨的形態(tài)降落到地面。
那米雪和冰丸所經(jīng)歷的液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過(guò)程是怎么回事？一般情況下，氣溫隨著海拔的升高而降低，但也有例外。如果近地面的冷空氣比較強(qiáng)盛，則會(huì)出現(xiàn)氣溫隨高度升高的情況。如果此時(shí)云層中降落的是毛毛雨，那么毛毛雨會(huì)在近地層被凍結(jié)，從而形成米粒狀的米雪降落到地面。
在實(shí)際過(guò)程中，氣溫的垂直分布很復(fù)雜，其分布往往并不是線性的。初冬時(shí)節(jié)，暖空氣有時(shí)會(huì)比較強(qiáng)盛，順著冷空氣的頂部爬坡，形成暖鋒，在暖鋒前往往會(huì)產(chǎn)生降水。高空的氣溫比較低，云層中產(chǎn)生的是固態(tài)降水，固態(tài)降水落到中間的暖空氣層時(shí)會(huì)融化成液態(tài)，而近地面又是以冷空氣為主導(dǎo)，低于0 ℃的空氣層比較深厚，此時(shí)液態(tài)降水會(huì)重新轉(zhuǎn)化成固態(tài)降水。
簡(jiǎn)而言之，氣溫的垂直分布呈現(xiàn)出冷—暖—冷的形勢(shì)（類似于“夾心餅干”），如果高空中出現(xiàn)了降水并且各層的高度合適，那么降水在下落過(guò)程中其相態(tài)也會(huì)發(fā)生固態(tài)—液態(tài)—固態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)高空中的固態(tài)降水到達(dá)暖層后便開(kāi)始融化。有的完全融化成過(guò)冷雨滴，有的則部分融化，形成內(nèi)部是冰、外部是過(guò)冷水的形態(tài)。這些降水粒子重新進(jìn)入近地層的冷層后，便會(huì)重新凝結(jié)，從而形成冰丸。冰丸的外表是一層薄薄的冰殼，內(nèi)部可以是過(guò)冷雨滴，也可以是部分融化的霰或冰雪晶。
固態(tài)降水的形態(tài)千差萬(wàn)別、大小各不相同，尤其是其中的霰、米雪、冰丸等，由于體形較小，出現(xiàn)的頻率不高，容易被人忽視。六角的雪花固然美麗，珠子狀的霰、長(zhǎng)粒狀的米雪、顆粒狀的冰丸也并不輸雪的形態(tài)，反而為寒冷的冬日增添了一抹靚麗的色彩。
路燈下的霰（攝影：劉浩）
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雪花的好姐妹——霰
古典名著《紅樓夢(mèng)》中兩次提到了“雪珠兒”這一不太常見(jiàn)的天氣現(xiàn)象。它的學(xué)名叫霰，常常與雪花相伴相生、同時(shí)降落，是雪花的好姐妹。
霰和雪花都是由冰雪晶演化而來(lái)。在一定溫度條件下，云中的冰雪晶會(huì)不斷通過(guò)貝吉龍效應(yīng)吸收周邊過(guò)冷水滴中的水分，從而不斷生長(zhǎng)。由于重力的作用，長(zhǎng)大后的冰雪晶便會(huì)下落。冰雪晶在下落過(guò)程中如果進(jìn)入到過(guò)冷水充沛的區(qū)域，就會(huì)不可避免地跟過(guò)冷云滴發(fā)生碰撞。此時(shí)，像膠水一樣的過(guò)冷云滴就會(huì)粘到雪晶上，并凍結(jié)成冰，大氣物理學(xué)中習(xí)慣將這種冰稱之為凇，將這一過(guò)程稱之為凇附過(guò)程。凇在冰雪晶上越聚越多，冰雪晶原有的六個(gè)角便蕩然無(wú)存，轉(zhuǎn)而形成一種球形或圓錐形的小冰珠，這就是霰。
2022年1月19日石家莊的霰
在經(jīng)歷了云中水汽在凝結(jié)核上凝華成冰雪晶和云中過(guò)冷水滴在冰雪晶上凇附這兩個(gè)過(guò)程之后，霰就誕生了。當(dāng)冰雪晶在下落過(guò)程中遇到的不是過(guò)冷云滴而是其他冰雪晶，在適宜的氣溫條件下，冰雪晶之間就會(huì)相互粘連，從而形成鵝毛般的大雪。綜上所述，冰雪晶是霰和雪花的初級(jí)階段，下落過(guò)程中的不同經(jīng)歷讓它們的形態(tài)產(chǎn)生了不同變化。
霰的個(gè)頭很小，直徑僅2～5毫米，所以經(jīng)常被人忽視。眾多霰粒落到地上后，呈現(xiàn)出白茫茫的一片，故而常被誤認(rèn)作雪。
微型固態(tài)降水
在固態(tài)降水家族中，還有許多體形微小、不易被發(fā)現(xiàn)的降水形態(tài)，比如米雪和冰丸等。
米雪類似于“長(zhǎng)粒香”那樣的米粒。米雪一般是扁長(zhǎng)的，白色或不透明的冰顆粒，直徑小于1毫米，通常從層云中徐徐落下，強(qiáng)度變化不大（非陣性），落到堅(jiān)硬物體的表面時(shí)，既不會(huì)反彈也不會(huì)破碎。米雪是毛毛雨的固體形態(tài)，是毛毛雨在下落過(guò)程中遇冷凝結(jié)后的產(chǎn)物。
冰丸又稱冰粒，直徑小于5毫米，是透明的丸狀或不規(guī)則的固態(tài)降水，較硬，落到堅(jiān)硬的地面上時(shí)一般會(huì)反跳。有時(shí)內(nèi)部還有未凍結(jié)的水，如被碰碎，則僅剩下破碎的冰殼。冰丸是過(guò)冷雨滴（或部分融化的雪花）下落時(shí)通過(guò)相對(duì)較冷的冰點(diǎn)層重新凍結(jié)后形成的。因此，如果沒(méi)凍透，會(huì)呈現(xiàn)外表是冰、內(nèi)部是水的狀態(tài)。
與雪和霰不同，這兩種固態(tài)降水都經(jīng)歷了由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)化過(guò)程。這種轉(zhuǎn)化跟氣溫的垂直分布有關(guān)。在高空寒冷的云中形成的雪和霰，在下落過(guò)程中其周邊的氣溫會(huì)越來(lái)越高。如果0 ℃層的高度比較高，那雪和霰在下落過(guò)程中就會(huì)不斷融化，最終以雨的形態(tài)降落到地面。
那米雪和冰丸所經(jīng)歷的液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過(guò)程是怎么回事？一般情況下，氣溫隨著海拔的升高而降低，但也有例外。如果近地面的冷空氣比較強(qiáng)盛，則會(huì)出現(xiàn)氣溫隨高度升高的情況。如果此時(shí)云層中降落的是毛毛雨，那么毛毛雨會(huì)在近地層被凍結(jié)，從而形成米粒狀的米雪降落到地面。
在實(shí)際過(guò)程中，氣溫的垂直分布很復(fù)雜，其分布往往并不是線性的。初冬時(shí)節(jié)，暖空氣有時(shí)會(huì)比較強(qiáng)盛，順著冷空氣的頂部爬坡，形成暖鋒，在暖鋒前往往會(huì)產(chǎn)生降水。高空的氣溫比較低，云層中產(chǎn)生的是固態(tài)降水，固態(tài)降水落到中間的暖空氣層時(shí)會(huì)融化成液態(tài)，而近地面又是以冷空氣為主導(dǎo)，低于0 ℃的空氣層比較深厚，此時(shí)液態(tài)降水會(huì)重新轉(zhuǎn)化成固態(tài)降水。
簡(jiǎn)而言之，氣溫的垂直分布呈現(xiàn)出冷—暖—冷的形勢(shì)（類似于“夾心餅干”），如果高空中出現(xiàn)了降水并且各層的高度合適，那么降水在下落過(guò)程中其相態(tài)也會(huì)發(fā)生固態(tài)—液態(tài)—固態(tài)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)高空中的固態(tài)降水到達(dá)暖層后便開(kāi)始融化。有的完全融化成過(guò)冷雨滴，有的則部分融化，形成內(nèi)部是冰、外部是過(guò)冷水的形態(tài)。這些降水粒子重新進(jìn)入近地層的冷層后，便會(huì)重新凝結(jié)，從而形成冰丸。冰丸的外表是一層薄薄的冰殼，內(nèi)部可以是過(guò)冷雨滴，也可以是部分融化的霰或冰雪晶。
固態(tài)降水的形態(tài)千差萬(wàn)別、大小各不相同，尤其是其中的霰、米雪、冰丸等，由于體形較小，出現(xiàn)的頻率不高，容易被人忽視。六角的雪花固然美麗，珠子狀的霰、長(zhǎng)粒狀的米雪、顆粒狀的冰丸也并不輸雪的形態(tài)，反而為寒冷的冬日增添了一抹靚麗的色彩。
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